□余榮健（六盤水市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

1 工程概況

七股水水電站位于長(zhǎng)江流域?yàn)踅等砗拥囊患?jí)支流連山河上，為引水式電站，電站正常水位1810m，相應(yīng)庫(kù)容68.31萬(wàn)m3，總庫(kù)容184.60m3。電站利用天然落差113m，裝機(jī)5MW，發(fā)電引用流量5.71m3/s，多年平均流量3.69m3/s，水量利用系數(shù)63%。

工程建設(shè)內(nèi)容包括擋水壩、取水口、無(wú)壓隧洞、明渠、壓力前池、壓力鋼管及廠房。經(jīng)過(guò)綜合比較，電站裝機(jī)容量5MW，多年平均年發(fā)電量1784.32萬(wàn)kW·h，年利用小時(shí)數(shù)3568h。工程施工總工期為31個(gè)月。工程總投資11153.87萬(wàn)元；靜態(tài)總投資11153.87萬(wàn)元。

2 擋水建筑物設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 壩頂高程確定

根據(jù)壩址洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果，大壩壩址處P=5%時(shí)的洪峰流量為362m3/s，其壩址處的水位為1807.95m；大壩壩址處P=2%時(shí)的洪峰流量為499m3/s，其壩址處的水位為1811.48m；大壩壩址處P=1%時(shí)的洪峰流量為612m3/s，其壩址處的水位為1812.68m；受下游伏流入口泄洪能力限制。當(dāng)超過(guò)20年一遇洪水時(shí)壩體將淹沒(méi)于水下，綜合考慮正常水位及進(jìn)水口取水的要求，故壩頂高程確定為1813.00m。

2.2 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由壩體抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力條件控制擬定壩體斷面。非溢流壩壩頂高程1813m，頂寬4m、壩底寬16m，上游面直立，下游面1810～1808m直立，1808～1800m坡比為1:0.70；溢流壩堰面曲線由WES曲線、直線段、反弧段三部分組成，WES曲線方程為y=0.11X1.85、直線段坡比1:0.87、反弧半徑8m，并在溢流壩下游設(shè)置長(zhǎng)40m、寬30m的護(hù)坦。

2.3 抗滑、抗浮穩(wěn)定計(jì)算

2.3.1 計(jì)算工況

鑒于本工程特殊的洪水情況，根據(jù)壩址尾水水位流量關(guān)系曲線，擬定以下兩種工況對(duì)大壩進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。

工程一：水庫(kù)為正常蓄水位1810m，未下泄洪水，下游最低水位為1803m，此時(shí)上下游水位差最大為7m。

工況二：在校核和設(shè)計(jì)洪水位下壩體完全淹沒(méi)于水下的抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算。

2.3.2 壩體抗滑穩(wěn)定復(fù)核

壩體抗滑穩(wěn)定按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算，計(jì)算公式如下：

結(jié)合工程類比法，擬建大壩地基物理力學(xué)參數(shù)為：f=0.80～1.20，c=0.70～1.10MPa，抗壓強(qiáng)度為0.80MPa。經(jīng)計(jì)算，大壩K′＞3.00，故壩體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

2.3.3 抗浮驗(yàn)算

當(dāng)超過(guò)20年一遇洪水時(shí)壩體將淹沒(méi)于水下，故需復(fù)核校核洪水位（P=1%）和設(shè)計(jì)洪水位（P=5%）下的抗浮安全系數(shù)，計(jì)算公式如下：

經(jīng)抗浮驗(yàn)算，在校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位下的抗浮安全系數(shù)均＞1.10，滿足要求。

2.3.4 應(yīng)力計(jì)算

本工程壩體斷面設(shè)計(jì)時(shí)，抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力計(jì)算的荷載組合考慮在正常蓄水位情況和校核洪水位情況，各種狀況所受荷載見(jiàn)表1。

表1 作用組合表

壩體應(yīng)力計(jì)算方法參照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2005),壩基截面的垂直應(yīng)力按下式計(jì)算：

取擋水壩最大斷面，河床建基面高程分別為1800.00m的斷面進(jìn)行壩基應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，非溢流壩、溢流壩在各種組合下壩踵垂直應(yīng)力均未出現(xiàn)拉應(yīng)力；而壩趾最大垂直應(yīng)力為0.16MPa，小于壩基的允許承載力3.50MPa，也小于壩體混凝土的允許應(yīng)力值，因此，壩基面應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3 泄水建筑物設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大壩溢洪道布置于河床段，采用開敞式表孔溢流，溢流前沿凈寬30m，堰頂高程1810m。堰流面曲線上半段為圓弧段，半徑為10m；下半段為反弧段，采用底流消能。堰面采用C20鋼筋混凝土襯護(hù)。因壩頂無(wú)交通要求，故不設(shè)閘墩和交通橋。

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 泄流能力計(jì)算

溢洪道泄流能力按《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319－2005）附錄A.3.1中公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)洪水流量為410m3/s時(shí)，其堰頂下泄流量為75.81m3/s。

3.2.2 消能計(jì)算

本壩的溢流段壩高10m，下游河床和岸坡基巖裸露，壩下河床受該灰?guī)r河段堅(jiān)硬巖石的限制，河床的切割深度受到限制，洪水期壩下游水位高容易形成水墊。因此溢洪道下游選用了底流式消能。底流消能是借助于一定的工程措施控制水躍位置，通過(guò)水躍發(fā)生的漩滾和強(qiáng)烈的紊動(dòng)來(lái)消除余能。

底流式消能的水力計(jì)算，首先分析建筑物下游的水流銜接形式，亦即判定水躍發(fā)生的位置；然后確定必要的工程措施。建筑物下游水躍的位置決定于通過(guò)建筑物下泄水流的特性和下游河道中水深和流速的大小。當(dāng)通過(guò)流量一定時(shí)，下游河道中的水深和流速是已知的。通過(guò)建筑物下泄的水流，以建筑物下游的收縮斷面作為分析水流銜接形式的控制斷面。

3.2.2.1 下游收縮斷面水深的計(jì)算

溢流壩收縮斷面水深hc計(jì)算公式如下：

3.2.2.2 水躍發(fā)生的位置

在一般情況下，下泄水流多為急流，而下游河道中的水流多屬于緩流，這樣水流就要從急流通過(guò)水躍過(guò)渡到緩流。為了判別水躍發(fā)生的位置，先假設(shè)水躍在收縮斷面處發(fā)生，即以收縮斷面為躍前斷面，則收縮斷面水深hc應(yīng)等于躍前水深hc′，其共軛水深為hc"。因下游河道中的水深就是發(fā)生水躍時(shí)的實(shí)際躍后水深，因此用來(lái)判別建筑物下游是發(fā)生臨界水躍、遠(yuǎn)離水躍或淹沒(méi)水躍。

水躍共軛水深計(jì)算公式如下：

式中：Frc—收縮斷面弗勞德數(shù)。

表2 水躍狀態(tài)判別成果表

由表2看出，幾種工況下均為淹沒(méi)水躍，故不需要設(shè)置人工輔助消力工。

3.2.2.3 水躍長(zhǎng)度的計(jì)算

自由水躍長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

通過(guò)計(jì)算，壩下游40m內(nèi)河床有可能受到?jīng)_刷，故下游設(shè)置長(zhǎng)30m護(hù)坦。此處計(jì)算過(guò)程不作贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在水電站建筑物設(shè)計(jì)中，擋水建筑物以及泄洪建筑物的設(shè)計(jì)是非常重要的，按規(guī)范要求合理布置、加強(qiáng)設(shè)計(jì)與計(jì)算，保證建筑物設(shè)計(jì)的合理性，以此保證水電站運(yùn)行的安全和壽命。

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